蛋白质药品冷冻干燥技术研究进展
冻干技术在药物制剂中的应用研究
冻干技术在药物制剂中的应用研究第一章：引言冻干技术是一种现代化的制剂技术，由于其具备“干燥”的优点，使药剂制剂的稳定性和长期稳定性有了极大的提高。
冻干技术已广泛应用于制药业中的制剂开发和生产，成为目前制剂研究领域中最常用的技术之一。
本文将详细介绍冻干技术在药物制剂中的应用研究。
第二章：冻干技术的原理和分类2.1 冻干技术的原理冻干技术是通过将药物样品液态混合物先冻结成为固态物质，再在真空环境下对减少压力，加热样品使冰晶直接从固态物质转变为气态，从而将水分去除，最后制得粉末状固体制剂的技术。
其基本原理是“低温”和“真空干燥”。
2.2 冻干技术的分类冻干技术依据不同的操作方式和不同的设备，可分为以下几类：1. 普通的板式冻干机：较为常用，适用于少量制药和样品的冻干。
2. 斜面卧式冻干机：比板式冻干机效率高，适合大量批量生产。
3. 旋转式冻干机：利用气旋力将材料乱坍产生旋转并加热处理。
适用于小批量生产。
第三章：冻干技术在药物制剂中的应用3.1 泡腾片泡腾片是一种将固体药物制成泡沫状，加入可引起化学反应的物质，在与水混合时产生药效的新型制剂。
冻干技术不仅可以破坏药物的嗜水性，防止泡腾片之间的粘连，而且可以冻干不易处理的泡腾片制品。
3.2 乳剂乳态制剂是指固体药物与悬浮液混合而成的制剂。
冻干技术可用于稳定这些药剂含量、控制粒径及避免沉淀现象。
在乳制剂中添加一定量的乳多糖、菌多醇等，冻干过程中可增强药物的稳定性。
3.3 蛋白质药物蛋白质药物是一类比较特殊的药物，如生长因子、因子品类等。
由于长期保存条件的限制，较小的误差就会导致活性失效，从而影响药物的疗效。
冻干技术可以在较低的温度下将药物冻结，并在真空环境下进行干燥，最终制得粉末状药物。
第四章：冻干技术的优缺点4.1 优点1. 可以提高制剂的稳定性和长期稳定性。
2. 可以降低药物配制过程中的湿度，提高制剂稳定性。
3. 可以适应多种不同类型的制剂制备，可根据不同类型药物改变不同参数完成制药制备。
冷冻干燥制剂的稳定性研究进展
冷冻干燥制剂的稳定性研究进展武华丽,胡一桥(中国药科大学药剂教研室,江苏南京210009)摘要:目的介绍冷冻干燥制剂在生产和贮运过程中影响药物稳定性的因素及冻干保护机制的研究进展。
方法综述冻干制剂在生产(分装、冷冻、干燥)和储存过程中影响药物稳定的因素;介绍了冻干保护剂的几种保护机制。
结果与结论研究冻干制剂稳定性对于生物技术药物制剂的开发有重要意义。
关键词:冷冻干燥;稳定性;蛋白质;玻璃化中图分类号:R94文献标识码:A文章编号:1001-2494(2001)07-0436-03随着生物技术的高速发展,多肽蛋白质类药物不断涌现,可应用于临床的多肽、蛋白酶、激素、疫苗、细胞生长因子及单克隆抗体等成为开发重点,目前已有35种重要治疗药物上市。
生物技术药物的基本剂型是冻干剂。
冷冻干燥技术早期主要用于生物材料的保存,其原理是利用冷冻的溶液在低温低压条件下,从冻结状态不经过液态直接升华除去水分完成干燥。
冷冻干燥技术可以使药物保持原有的理化性质和生理活性,且有效成分损失极少。
此外,冻干制剂特有的疏松多孔结构,可以使药物易于重新复水而恢复活性,而且冻干制剂含水量低,易长期稳定保存。
冻干制剂的低共熔态多孔结构在口腔内可迅速溶化释出药物,因此该技术现在也用于口服速溶制剂[1]。
尽管与液体制剂相比冻干制剂稳定,但是冷冻干燥是一个非常复杂的过程,在预冷第一、第二干燥阶段和储存过程中,药物的结构可能受其中的物理化学变化影响而发生变化,特别是蛋白质多肽类药物的二、三级结构易受破坏,失去活性而影响药效。
本文对近年来国内外学者对冻干过程中药物稳定性问题的研究进展进行了综述。
1水分含量严格控制水分含量是保证冻干制剂质量的关键。
水分含量对冻干制剂质量的一个重要指标)))玻璃转化温度(Tg)有影响,即药品的水分含量越低,其Tg越高,药品越能长期稳定地储存。
通常冻干制剂的水分含量要求控制在1% ~3%之间,以保持稳定。
在水分含量较低时,药物的溶剂降解反应呈零级动力学模式[2]。
蛋白质冻干
蛋白质药品冷冻干燥技术研究进展1.引言由于冻干药品呈多孔状、能长时间稳定贮存、并易重新复水而恢复活性，因此冷冻干燥技术广泛应用于制备固体蛋白质药物、口服速溶药物及药物包埋剂脂质体等药品。
从国家药品监督管理局数据库得知，目前国内已有注射用重组人粒细胞巨噬细胞集落刺激因子、注射用重组人干扰素α2b、冻干鼠表皮生长因子、外用冻干重组人表皮生长因子、注射用重组链激酶、注射用重组人白介素-2、注射用重组人生长激素、注射用A群链球菌、注射用重组人干扰素α2b、冻干人凝血因子VⅢ、冻干人纤维蛋白原、间苯三酚口服冻干片等冻干药品获准上市。
截止2000年2月，美国FDA已批准的生物技术药共计76个。
冷冻干燥技术最早于1813年由英国人Wollaston发明。
1909年Shsckell试验用该方法对抗毒素、菌种、狂犬病毒及其它生物制品进行冻干保存，取得了较好效果。
在第二次世界大战中，对血液制品的大量需求大大刺激了冷冻干燥技术的发展，从此该技术进入了工业应用阶段。
此后，制冷和真空设备的飞速发展为快速发展冷冻干燥技术提供了强有力的物质条件。
进入上个世纪的八九十年代，科学技术的迅猛发展和人民群众对健康保障的需求为药品冷冻干燥技术的飞速发展提供了强大的动力，在药品冻干损伤和保护机理、药品冻干工艺、药品冷冻干燥机等方面取得了巨大的成绩。
但药品冷冻干燥技术是一门边缘学科，需要生物学、药学、制冷、真空和控制等知识的交叉和综合，因此仍存在亟待解决的问题。
2.药品冷冻干燥原理及特点药品冷冻干燥是指把药品溶液在低温下冻结，然后在真空条件下升华干燥，除去冰晶，待升华结束后再进行解吸干燥，除去部分结合水的干燥方法。
该过程主要可分为：药品准备、预冻、一次干燥(升华干燥)和二次干燥(解吸干燥)、密封保存等五个步骤。
药品按上述方法冻干后，可在室温下避光长期贮存，需要使用时，加蒸馏水或生理盐水制成悬浮液，即可恢复到冻干前的状态。
与其它干燥方法相比，药品冷冻干燥法具有非常突出的优点和特点：a)药液在冻结前分装，剂量准确；b)在低温下干燥，能使被干燥药品中的热敏物质保留下来；c)在低压下干燥，被干燥药品不易氧化变质，同时能因缺氧而灭菌或抑制某些细菌的活力；d)冻结时被干燥药品可形成"骨架"，干燥后能保持原形，形成多孔结构而且颜色基本不变；e)复水性好，冻干药品可迅速吸水还原成冻干前的状态；f)脱水彻底，适合长途运输和长期保存。
蛋白药物冻干工艺研究汇要点
一、冷冻干燥过程研究真空冷冻干燥是先将制品冻结到共晶点温度以下，使水分变成固态的冰，然后在适当的温度和真空度下，使冰升华为水蒸气。
再用真空系统的冷凝器(水汽凝结器)将水蒸气冷凝，从而获得干燥制品的技术。
该过程主要可分为：制品准备、预冻、一次干燥（升华干燥）、二次干燥（解吸干燥）和密封保存五个步骤。
1 产品预冻1.1 制品的玻璃化玻璃化的作用。
近年来，人们已经逐渐地认识到，凡是成功的低温保存，细胞内的水均以玻璃态的形式被固化，在胞内不出现晶态的冰。
玻璃化是指物质以非晶态形式存在的一种状态，其粘度极大，分子的能动性几乎为零，由于这种非晶体结构的扩散系数很低，故在这种结构中分子运动和分子变性反应非常微弱，不利的化学反应能够被抑制，从而提高被保存物质的稳定性。
玻璃化的获得。
在产品预冻时，只要降温速率足够快，且达到足够低的温度，大部分材料都能从液体过冷到玻璃态固体。
“足够快”的意思是在降温过程中迅速通过结晶区而不发生晶化，“足够低”指的是必须把温度降到玻璃化转变温度Tg以下。
对于具有一定初始浓度的细菌制品，其预冻过程一般通过“两步法”来完成。
第一步是以一般速率进行降温，让细胞外的溶液中产生冰，细胞内的水分通过细胞膜渗向胞外，胞内溶液的浓度逐渐提高；第二步是以较高速率进行降温，以实现胞内溶液的玻璃化。
此法又称“部分玻璃化法”。
当初始浓度为A的溶液（A点）从室温开始冷却时，随着温度的下降，溶液过冷到B点后将开始析出冰，结晶潜热的释放又使溶液局部温度升高。
溶液将沿着平衡的熔融线不断析出冰晶，冰晶周围剩余的未冻溶液随温度下降，浓度不断升高，一直下降到熔融线(Ta)与玻璃化转变曲线(Tg)的交点(D点)时，溶液中剩余的水分将不再结晶(称为不可冻水)，此时的溶液达到最大冻结浓缩状，浓度较高，以非晶态的形式包围在冰晶周围，形成镶嵌着冰晶的玻璃体。
1.2降温速率与预冻温度预冻速度决定了制品体积大小、形状和成品最初晶格及其微孔的特性，其速度可控制在每分钟降温1℃左右。
生物药品冷冻干燥的研究
类型川，如表ｌ所示。
表ｌ生物药品冻干常用的冻干保护剂
对于生物药品冻干保护剂的选择，Ｃ垒亚曼ｎ！盟独Ｐｉｋａｌ㈣总结了为：（１）冻干保护剂可全 部或部分玻璃化；（２）冻干保护剂的玻璃化温度Ｔｇ应尽量高。
Ｃｒｏｗｅ ｆ５６】认为：为有效的保护生物药物的活性，仅样品在玻璃化温度以下保存是不够的，
在冻干干燥过程中，干燥层的温度要始终低于其塌陷温度Ｔｃ。对于搁板加热式冻干机， 升华干燥过程中，只要控制样品冻结层的温度低于其共晶温度或玻璃化转变温度，其干燥层 的温度一般不超过其塌陷温度。而对于辐射加热的冻干机，塌陷温度是工艺过程控制中的一 个重要参数。 ３．２冻干过中的压力控制
在冻干过程中，升华的水蒸气从升华界面通过多孔干燥层时的阻力，比由干燥层外表面
３生物药品冻干工艺控制参数与冻千保护剂
３．１共晶点温度Ｔｅ、玻璃化转变温度Ｔｇ和塌陷温度Ｔｃ 共晶点温度Ｔ。、玻璃化转变温度Ｔｇ和塌陷温度Ｔｃ是冻干工艺参数控制中最重要的三个参
数。三参数即相互独立，又具有一定的联系，三参数对冻干工艺控制设计有重要的意义。 （１）共晶点温度Ｔｅ。共晶点温度指在溶液降温过程中，当溶液被冷却到冰点时，开始
生物药品主要包括蛋白类药品、激素、病毒、疫苗、细菌、酵母、抗生素、抑制剂、脂 质体等。在生物药品领域，冷冻干燥技术是一项极为重要的制剂工艺，据文献报道，约有１４％ 的抗生素类药品需要冻干，约有９２％的生物大分子类药品需要冻干，约有５２％其它生物制剂 需要冻干｛３ｌ。生物药品冷冻干燥过程是将含水药品冻结成固态后，在低温、真空状态下，使其 中水分升华或解吸出去，以达到药品能长期保存的一种方法。药品冻干技术涉及到传热传质 学、制冷技术、真空技术、自动控制、生物化学、药剂学等学科。对生物药品的冷冻干燥与 冻干过程中动态参数测量及控制方法的研究对提高医药工业技术水平具有特殊重要的意义。
冻干保护剂及其保护机理的研究进展
冻干保护剂及其保护机理的研究进展生命科学学院动物科学专业2008084533（学号）严忠平（姓名）指导教师郑新添【摘要】进入上个世纪的八九十年代，科学技术的迅猛发展和人民群众对健康保障的需求为药品冷冻干燥技术的飞速发展提供了强大的动力，在药品冻干损伤和保护机理、药品冻干工艺、药品冷冻干燥机等方面取得了巨大的成绩。
但药品冷冻干燥技术是一门边缘学科，需要生物学、药学、制冷、真空和控制等知识的交叉和综合，因此仍存在亟待解决的问题。
冷冻干燥是目前保持微生物、动物组织、细胞及蛋白质等活性物质生物活性的一个有效的、普遍的方法．制品经完全冻结，并在一定的真空条件下使冰晶升华，从而达到低温脱水的目的，此过程即称为冷冻干燥，简称冻干，是冷冻和干燥的结合，其中冷冻与干燥引起的蛋白质变性的机理各不相同．【关键词】冻干保护剂保护机理药品生物自进入上个世纪的八九十年代，科学技术的迅猛发展和人民群众对健康保障的需求为药品冷冻干燥技术的飞速发展提供了强大的动力，在药品冻干损伤和保护机理、药品冻干工艺、药品冷冻干燥机等方面取得了巨大的成绩。
但药品冷冻干燥技术是一门边缘学科，需要生物学、药学、制冷、真空和控制等知识的交叉和综合，因此仍存在亟待解决的问题。
冷冻干燥是目前保持微生物、动物组织、细胞及蛋白质等活性物质生物活性的一个有效的、普遍的方法．制品经完全冻结，并在一定的真空条件下使冰晶升华，从而达到低温脱水的目的，此过程即称为冷冻干燥，简称冻干，是冷冻和干燥的结合，其中冷冻与干燥引起的蛋白质变性的机理各不相同．冷冻干燥技术最早于1813年由英国人华莱斯顿(Wollaston)发明．自Heckly和Hammer(1911年)首次对微生物进行干燥保存以来，经过多年来的完善与发展，国内外学者们发现冷冻干燥技术具有与其他干燥方法无可比拟的优点E23，菌种在低温下干燥，各种成分、酶的活性丧失少；可以保持菌种的形态、色泽；复水性好，能很快地吸水还原成干燥前的鲜活状态；脱水彻底，保存期长，储存运输、销售方便．但是，在真空冷冻干燥过程中，冷冻和干燥不可避免地会造成部分微生物细胞的损伤、死亡，及某些蛋白分子的钝化．为了提高冷冻干燥微生物、蛋白质等生物制品的存活率与生物活性，人们进行了大量的研究，其中包括冷干过程中蛋白质的空间结构的变化，以及各种保护剂对这些变化的影响[1]．1 冷冻干燥保护剂冻干是复杂的相变过程,冻干制品在整个过程存在的各种应力,包括低温应力、冻结应力、干燥应力等,常常是直接或间接导致制品中蛋白质变性的因素 ,所以在冻干过程中需使用保护剂。
冷冻干燥技术在药物制剂中的应用案例
冷冻干燥技术在药物制剂中的应用案例导语：随着现代医学科技的不断发展，冷冻干燥技术在药物制剂中的应用也越来越广泛。
冷冻干燥技术以其独特的优势在制药领域中得到广泛应用，并成为药物研发和生产过程中不可或缺的环节。
本文将以几个典型的应用案例为例，说明冷冻干燥技术在药物制剂中的重要性和应用价值。
案例一：疫苗制剂中的冷冻干燥技术疫苗是预防和控制传染病的重要手段，但许多疫苗由于其成分的特殊性，需要在低温环境中储存和运输。
冷冻干燥技术通过将疫苗制剂冻结并在真空条件下脱去水分，使其变成干燥的粉末状，从而延长疫苗的保质期。
同时，冷冻干燥技术还能有效保留疫苗中的活性成分，确保疫苗的疗效。
案例二：蛋白质制药中的冷冻干燥技术蛋白质是重要的生物活性分子，在制药领域中应用广泛。
然而，由于蛋白质的不稳定性，传统的制剂方法很难保持其活性。
冷冻干燥技术通过在低温下将蛋白质冻结，并在真空条件下脱去水分，使其形成稳定的干燥粉末。
这一过程可以保持蛋白质的活性和结构完整性，从而提高蛋白质制剂的稳定性和生物活性。
案例三：生物制剂中的冷冻干燥技术生物制剂是一类通过基因工程技术制备的大分子药物，如单克隆抗体、生物合成的蛋白质等。
由于其特殊的性质，生物制剂往往需要冷藏甚至冷冻保存。
而传统的制剂方法往往会导致生物制剂的活性和稳定性下降。
冷冻干燥技术能够有效地保持生物制剂的活性和结构完整性，同时延长其保质期，为生物制剂的研发和应用提供了有力支持。
结语：以上案例仅仅是冷冻干燥技术在药物制剂中的应用的冰山一角。
随着科学技术的进步和制药工艺的不断优化，冷冻干燥技术在药物制剂领域中的应用前景会更加广阔。
通过冷冻干燥技术，药物制剂的稳定性和可控性得以大幅提高，为研发和生产创新药物提供了重要手段。
相信在不久的将来，冷冻干燥技术将继续在药物制剂中发挥更为重要的作用，为医药领域的进步和发展做出更大的贡献。
对药品冷冻干燥技术工艺的研究
关 键 词 ： 冻 干燥技 术 ； 理 ； 艺 冷 原 工
从 国家药品监督管理局数据库得知 ，目前国内已有注射用 同 ，而且 会影 响后 继的干燥 速率和冻干药品质量 。根据冻结机 重组 人粒 细胞 巨噬 细胞集 落刺 激 因子 、注射 用重组 人 干扰素 理 ， 可以把 冻结分为全域过冷结晶和定向结晶两类 。
缺点。 ２ 冻干工艺及优化 度 时 ，会促进再结 晶的形 成使结 晶成分 和未冻结水结晶完 全。 ． ｂ提高非晶相的最大浓缩液玻璃化转变温度 Ｔ 从非 晶相 中 ｇ 。
由于药品冷冻干燥过程会产生多种应力 ，对冻干药品 的药 除去 较低 的结晶成分 ，能够提高非 晶相 的 Ｔ ａｒ ＪＡ一 Ｓ。Ｂ ｒ ｌ ｙ 性有很大 的影响 ， 因此对 药品冷冻干燥 过程进行合理设计 ， 对于 减少冻干损伤和提高冻干药品的质量有重大的意义。 ２１ 冻结研究 ． ｄ ｕ 在研究非晶态碳水化合物的水合物结 晶规律时发现 ，经过 ｏｓ 退火 之后 的海藻糖 干燥溶 液 的玻 璃 化转变 温度 由 ３ ￣上升 到 １ Ｃ ７ ℃， ９ 大大提高了稳定作用 。 ． ｃ改变冰 晶形态和大小分布 ， 提高干
药 品冷冻干燥是指把药 品溶液在低温下冻结 ，然后在 真空
定向结晶是指一小部分药液处于过冷状态下进行冻结 的方
条件下升华干燥 ， 除去 冰晶 ， 待升华结束后 再进行解吸 干燥 ， 除 式。溶液用湿冰冷却 ， 在瓶子底 部用 干冰冷却 ， 形成品核 ， 然后放
去部分结合水的干燥方法 。该过程主要可分为 ： 药品准备 、 预冻 、 到一 ０ ５ ℃的搁板上冻结。
因子 ｖⅢ、 冻干人纤维蛋 白原 、 间苯三酚 口服冻干 片等冻干药品 计７ ６个 。 １ 药品冷冻干燥原理及特点 全域过冷结 晶按冻结速率 的快慢 可分 为慢速冻结和快速冻 完全冻结现象 。相反 ， 速冷却产生较大 的冰 晶， 且存 在冻结 慢 并 浓缩的现象。
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蛋白质药品冷冻干燥技术研究进展1 引言由于冻干药品呈多孔状、能长时间稳定贮存、并易重新复水而恢复活性，因此冷冻干燥技术广泛应用于制备固体蛋白质药物、口服速溶药物及药物包埋剂脂质体等药品。
从国家药品监督管理局数据库得知，目前国内已有注射用重组人粒细胞巨噬细胞集落刺激因子、注射用重组人干扰素α2b、冻干鼠表皮生长因子、外用冻干重组人表皮生长因子、注射用重组链激酶、注射用重组人白介素-2、注射用重组人生长激素、注射用A群链球菌、注射用重组人干扰素α2b、冻干人凝血因子VⅢ、冻干人纤维蛋白原、间苯三酚口服冻干片等冻干药品获准上市。
截止2000年2月，美国FDA已批准的生物技术药共计76个。
冷冻干燥技术最早于1813年由英国人Wollaston发明。
1909年Shsckell 试验用该方法对抗毒素、菌种、狂犬病毒及其它生物制品进行冻干保存，取得了较好效果。
在第二次世界大战中，对血液制品的大量需求大大刺激了冷冻干燥技术的发展，从此该技术进入了工业应用阶段。
此后，制冷和真空设备的飞速发展为快速发展冷冻干燥技术提供了强有力的物质条件。
进入上个世纪的八九十年代，科学技术的迅猛发展和人民群众对健康保障的需求为药品冷冻干燥技术的飞速发展提供了强大的动力，在药品冻干损伤和保护机理、药品冻干工艺、药品冷冻干燥机等方面取得了巨大的成绩。
但药品冷冻干燥技术是一门边缘学科，需要生物学、药学、制冷、真空和控制等知识的交叉和综合，因此仍存在亟待解决的问题。
2 药品冷冻干燥原理及特点药品冷冻干燥是指把药品溶液在低温下冻结，然后在真空条件下升华干燥，除去冰晶，待升华结束后再进行解吸干燥，除去部分结合水的干燥方法。
该过程主要可分为：药品准备、预冻、一次干燥（升华干燥）和二次干燥（解吸干燥）、密封保存等五个步骤。
药品按上述方法冻干后，可在室温下避光长期贮存，需要使用时，加蒸馏水或生理盐水制成悬浮液，即可恢复到冻干前的状态。
与其它干燥方法相比，药品冷冻干燥法具有非常突出的优点和特点：a) 药液在冻结前分装，剂量准确；b) 在低温下干燥，能使被干燥药品中的热敏物质保留下来；c) 在低压下干燥，被干燥药品不易氧化变质，同时能因缺氧而灭菌或抑制某些细菌的活力；d) 冻结时被干燥药品可形成"骨架"，干燥后能保持原形，形成多孔结构而且颜色基本不变；e) 复水性好，冻干药品可迅速吸水还原成冻干前的状态；f) 脱水彻底，适合长途运输和长期保存。
虽然药品冷冻干燥具有上述优点，但是干燥速率低、干燥时间长、干燥过程能耗高和干燥设备投资大等仍是该技术的突出缺点。
3 药品冻干损伤和保护机理药品冷冻干燥是一个多步骤过程，会产生多种应力使药品变性，如低温应力、冻结应力和干燥应力。
其中冻结应力又可分为枝状冰晶的形成，离子浓度的增加，PH值的改变和相分离等情况。
因此，为了保护药品的活性，通常在药品配方中添加活性物质的保护剂。
它需要具备四个特性：玻璃化转变温度高、吸水性差、结晶率低和不含还原基。
常用的保护剂有如下几类物质：a) 糖类/多元醇：蔗糖、海藻糖、甘露醇、乳糖、葡萄糖、麦芽糖等；b) 聚合物：HES、PVP、PEG、葡聚糖、白蛋白等；c) 无水溶剂：乙烯乙二醇、甘油、DMSO、DMF等；d) 表面活性剂：Tween 80等；e) 氨基酸：L-丝氨酸、谷氨酸钠、丙氨酸、甘氨酸、肌氨酸等；f) 盐和胺：磷酸盐、醋酸盐、柠檬酸盐等；由于冷冻干燥过程存在多种应力损伤，因此保护剂保护药品活性的机理也是不同的，可以分为低温保护和冻干保护。
对于低温保护，目前被广为接受的液体状态下蛋白质稳定的机理之一是优先作用原理。
优先作用是指蛋白质优先与水或水溶液中的保护剂作用。
在有起稳定作用的保护剂存在的条件下，蛋白质优先与水作用（优先水合），而保护剂优先被排斥在蛋白质区域外（优先排斥）。
在这种情况下，蛋白质表面就比其内部有较多的水分子和较少的保护剂分子。
优先作用原理同样适用于冷冻-融解过程。
蛋白质保护剂，在溶液中被从蛋白质表面排斥，在冻结过程中能够稳定蛋白质。
但是优先作用机理不能完全解释用聚合物或蛋白质自身在高浓度时保护蛋白质的现象。
在冻干过程中，由于蛋白质的水合层被除去，优先作用机理不再适用。
对于冻干保护机理，仍在研究探讨之中，目前主要有两种：a) 水替代假说。
许多研究者认为由于蛋白质分子中存在大量氢键，结合水通过氢键与蛋白质分子联结。
当蛋白质在冷冻干燥过程中失去水分后，保护剂的羟基能替代蛋白质表面的水的羟基，使蛋白质表面形成一层假定的水化膜，这样可保护氢键的联结位置不直接暴露在周围环境中，稳定蛋白质的高级结构，防止蛋白质因冻干而变性，使其即使在低温冷冻和干燥失水的情况下，仍保持蛋白质结构与功能的完整性。
b) 玻璃态假说。
研究者认为在含保护剂溶液的干燥过程中，当浓度足够大且保护剂的结晶不会发生时，保护剂-水混合物就会玻璃化。
研究发现在玻璃态下，物质兼有固体和流体的行为，粘度极高，不容易形成结晶，且分子扩散系数很低，因而具有粘性的保护剂包围在蛋白质分子的周围，形成一种在结构上与玻璃状的冰相似的碳水化合物玻璃体，使大分子物质的链锻运动受阻，阻止蛋白质的伸展和沉淀，维持蛋白质分子三维结构的稳定，从而起到保护作用。
目前大部分学者赞同"水替代假说"，因为可以通过实验检测到蛋白质和保护剂之间的氢键，为理论提供证据。
事实上，无论是"水替代假说"还是"玻璃态假说"，它们的基础都是基于药液实现了部分或全部玻璃化冻结。
4 冻干工艺及优化由于药品冷冻干燥过程会产生多种应力，对冻干药品的药性有很大的影响，因此对药品冷冻干燥过程进行合理设计，对于减少冻干损伤和提高冻干药品的质量有重大的意义。
4.1冻结研究冷冻干燥过程中的冻结过程非常重要，因为在冻结中形成的冰晶形态和大小以及玻璃化程度不仅影响后继的干燥速率，而且影响冻干药品的质量。
因此在冻结过程中必须考虑配方、冻结速率、冻结方式、以及是否退火等问题。
4.1.1 配方的影响配方中的固体含量会影响冻结和干燥过程。
如果固体含量少于2%，那么冻干药品结构的机械性能就会不稳定。
尤其在干燥过程中，药品微粒不能粘在基质上，逸出的水蒸气会把这些微粒带到小瓶的塞子上，有时甚至会带到真空室当中。
此外，为了获得均匀一致、表面光滑、稳定的蛋白质药品，配方中必须含有填充剂、赋形剂、稳定剂等保护剂，这些保护剂对实现药品的玻璃化冻结有重大的影响。
很多糖类或多元醇经常被用于溶液冻融和冻干过程中非特定蛋白质的稳定剂，它们既是有效的低温保护剂又是很好的冻干保护剂，它们对冻结的影响取决于种类和浓度。
文献[16～23]对不同的保护剂进行了详尽的研究，探讨了它们的冻结特性。
文献[4]还研究了其它保护剂的冻结特性。
但是蛋白质种类很多，而且物理化学性质各异，因此不同的蛋白质需要不同的保护剂配方，因此它们的冻结特性就不同，一般需要实验。
4.1.2 冻结方式冻结方式不同，产生的冰晶的形态和大小就不同，而且会影响后继的干燥速率和冻干药品质量。
根据冻结机理，可以把冻结分为全域过冷结晶和定向结晶两类。
全域过冷结晶是指全部药液处于相同或相近的过冷度下进行冻结的方式。
在全域过冷结晶中，冻结速率和冰晶成核温度是重要的参数。
全域过冷结晶按冻结速率的快慢可分为慢速冻结和快速冻结。
快速冻结的冰晶细小，而且没有冻结浓缩现象，但是存在不完全冻结现象。
相反，慢速冷却产生较大的冰晶，并且存在冻结浓缩的现象。
Thomas W Patapoff等人发现如果把药品直接浸入液氮或干冰-乙醇溶液槽中（快速冻结），那么晶核首先在瓶壁产生，然后冰晶向中心扩散，再垂直向上扩散。
由于长成的冰晶细小，而且有水平方向的结构，导致干燥阶段的传质阻力很大，升华速率降低。
实验证明，快速冻结导致升华速率低，解吸速率快，慢速冻结导致升华速率快，解吸速率慢。
James A Searles等人认为冰晶成核温度是全域过冷结晶的重要因素，因为它是升华速率的主要决定因素。
他们在研究中发现，冰晶成核温度从本质上来说是随机的、不稳定的，不容易控制，但是受溶液中的微粒含量和是否存在冰晶成核体等影响因素。
正是冰晶成核温度的随机性导致升华干燥速率的不均匀性以及与形态相关的参数，如冻干药品表面积和解吸干燥速率。
定向结晶是指一小部分药液处于过冷状态下进行冻结的方式。
Thomas W Patapoff介绍了一种垂直冻结方式。
溶液用湿冰冷却，在瓶子底部用干冰冷却，形成晶核，然后放到-50℃的搁板上冻结。
用这种方式冻结的样品的冰晶在垂直方向呈现烟囱状，在药品表面没有冻结浓缩层，而且整个药品的结构均一性很好，因此在干燥时的传质阻力很小，加快了冻干速率。
Martin Kramer等人采用了另外一种方式实现了定向冻结。
他们在真空室压力为0.1kPa，搁板温度为+10℃的条件下，让溶液开始表面冻结，形成1～3mm左右的冰晶薄层。
然后解除真空，降低搁板温度到结晶温度以下进行冻结。
在这种条件下长成的冰晶粗大，也呈烟囱状。
同时在干燥阶段发现，升华干燥时间比采用一般冻结的时间节省了20%。
分析冻干药品时还发现，对甘露醇，采用这种方式冻结的冻干品的剩余含水量比采用一般冻结的要多；但对蔗糖和甘氨酸，两者差别不大。
H Schoof等人在冻干胶原质时也采用了定向结晶的方式。
冻结方式不同，产生的冰晶形态和大小就不同，后继的干燥速率也不同。
实验证明，采用定向结晶方式的冻结药品的干燥速率比全域过冷结晶的快。
但是无论采用哪种冻结方式，药品溶液必须部分或全部实现玻璃化冻结，以保护药品药性。
4.1.3 退火退火是指把冻结药品温度升到共熔温度以下，保温一段时间，然后再降低温度到冻结温度的过程。
在升华干燥之前增加退火步骤，至少有三个原因：a) 强化结晶。
在冻结过程特别是快速冻结过程中，配方中结晶成分往往来不及完全结晶。
但是如果该成分能为冻干药品结构提供必要的支撑或者蛋白质在该成分完全结晶后会更稳定，那么就有必要完全结晶。
此外，冻结浓缩液中也会有一部分水来不及析出，使其达不到最大浓缩状态。
实验证明，当退火的温度高于配方的最大浓缩液玻璃化转变温度Tg'时，会促进再结晶的形成使结晶成分和未冻结水结晶完全。
b) 提高非晶相的最大浓缩液玻璃化转变温度Tg'。
从非晶相中除去Tg'较低的结晶成分，能够提高非晶相的Tg'。
Barry J Aldous在研究非晶态碳水化合物的水合物结晶规律时发现，经过退火之后的海藻糖干燥溶液的玻璃化转变温度由31℃上升到79℃，大大提高了稳定作用。
c) 改变冰晶形态和大小分布，提高干燥效率。
James A Searles等人研究认为不同的成核温度产生不同的冰晶形态和粒径大小，继而导致升华干燥的速率的不均匀。